歷經47年，航行150億英里之後，美國宇航局旅行者2號航天器上的等離子體科學實驗裝置已經關閉。美國國家航空航天局（NASA）的"旅行者"號雙飛船最初的設計任務是探索木星和土星，為期四年。 將近 50 年過去了，150 億英里已經被走過，它們已經遠遠超過了原先的目標，越過了外行星，衝出了日光層，進入了星際空間。 這些探測器現在是最遙遠的人造物體，而且每天都在遠離地球。
等離子體科學實驗顯示三個向陽杯指向略有不同的方向，以測量太陽風的方向。 第四個杯子（左上角）的指向與其他杯子垂直。 資料來源：美國國家航空航天局/JPL-加州理工學院/麻省理工學院
在整個非凡的旅程中，旅行者號只用了幾臺儀器就對所有四顆巨大的外行星及其衛星進行了突破性的觀測。 其中包括麻省理工學院的等離子體科學實驗--一對完全相同的等離子體，由麻省理工學院的科學家和工程師於20世紀70年代在37號樓製造。 這些儀器實現了首次測量，拓展了我們對太陽系的認識。
等離子體科學實驗（又稱等離子體光譜儀，簡稱PLS）測量了行星磁層、太陽風和星際介質（恆星之間的物質）中的帶電粒子。 自 1977 年在旅行者 2 號航天器上發射以來，等離子體光譜儀已經揭示了太陽系所有外行星附近和太陽風中的新現象。 該實驗在確認旅行者 2 號穿越日光層並移出太陽系進入星際空間的那一刻發揮了至關重要的作用。
現在，為了節省旅行者 2 號上所剩無幾的能量，延長任務的壽命，旅行者號的科學家和工程師們決定關閉麻省理工學院的等離子體科學實驗 。 這是未來幾年將逐步關閉的一系列科學儀器中的第一臺。 9月26日，旅行者2號PLS在收到關閉指令之前，從127億英里外發出了最後一次通訊。
參與實驗的麻省理工學院工程師和科學家的名字刻在該裝置四個探測杯之一的集電板上。 資料來源：麻省理工學院博物館
麻省理工學院新聞採訪了麻省理工學院1922級物理學教授約翰-貝爾徹（John Belcher）和麻省理工學院卡弗裡天體物理學與空間研究所首席研究科學家約翰-理查森（John Richardson），前者是設計和製造等離子體光譜儀的原始團隊成員，後者則是該實驗的首席研究員。 貝爾徹和理查德森都對麻省理工學院這段星際歷史的退役發表了自己的看法。
問：回顧這項實驗的貢獻，麻省理工學院等離子體光譜儀揭示了太陽系和星際空間的哪些重大發現？
理查德森：等離子體光譜儀在木星的一個重要發現是發現了木衛二環，這是木星周圍的一個等離子體甜甜圈，由木衛二火山中的硫和氧形成（旅行者號影象中發現了這些火山）。 在土星，PLS 發現了一個磁層，裡面充滿了從土星冰衛星上脫落的水和氧氣。 在天王星和海王星，磁場的傾斜導致 PLS 看到了較小的密度特徵，天王星的等離子體在行星附近消失了。 PLS 的另一項關鍵觀測是對終止衝擊的觀測，這是首次觀測太陽系中最大沖擊處的等離子體，太陽風在此停止超音速運動。 這個邊界的速度急劇下降，太陽風的密度和溫度也隨之升高。 最後，PLS 透過探測到向外流動的等離子體停止，記錄了旅行者 2 號穿越日凌層的過程。 這標誌著太陽風的結束和本地星際介質（LISM）的開始。 儘管 PLS 並非為測量本地星際介質而設計，但它一直在測量日光層以外的星際等離子體電流。 失去這個儀器和資料是非常令人痛心的！
貝爾徹：必須強調的是，PLS是麻省理工學院教授赫伯特-布里奇（Herbert Bridge，1919-1995）和艾倫-拉扎勒斯（Alan Lazarus，1931-2014）數十年研發的成果。 他們設計的第一版儀器於 1961 年搭載在探索者 10 號上。 而最新的版本則搭載在太陽探測器上，該探測器正在收集非常接近太陽的測量資料，以瞭解太陽風的起源。 布里奇是等離子探測器的首席研究員，這些探測器曾造訪過太陽和太陽系中的每一個主要行星體。
問：在旅行者號探測器上工作期間，等離子體感測器在過去的47年中是如何工作的？
理查森：有四個由赫伯-布里奇設計的法拉第杯探測器可以測量進入探測器的離子和電子的電流。 透過測量這些不同能量的粒子，我們可以找到旅行者號遇到的太陽風和四個行星磁層中的等離子體速度、密度和溫度。 旅行者號的資料每天（現在仍然）傳送到地球，並由美國宇航局的深空天線網路接收。 讓兩艘20世紀70年代的航天器持續執行47年之久一直是JPL工程能力的驚人壯舉，我們可以在Google上搜索最近的一次救援，當時旅行者1號在2023年11月失去了一些記憶，停止傳送資料。 JPL找出了問題所在，並在150億英里之外重新對飛行資料系統進行了程式設計，現在一切都恢復正常了。 關閉 PLS 需要傳送一條命令，這條命令將在大約 19 個小時後到達旅行者 2 號，為航天器的其他部分提供足夠的動力，使其能夠繼續執行。
問：等離子體感測器關閉後，旅行者號還能做些什麼，還能走多遠？
理查德森：旅行者號仍將測量銀河宇宙射線、磁場和等離子體波。 隨著驅動這些儀器的鈽的衰變，可用功率每年大約減少4瓦。 我們希望能讓部分儀器執行到2030年代中期，但隨著功率的降低，這將是一個挑戰。
貝爾徹：荷蘭卡普丁天文研究所的尼克-奧伯格利用歐洲航天局的航天器蓋亞的資料，對航天器的未來進行了詳盡的研究。 大約 3 萬年後，飛船將到達距離最近的恆星。 由於太空是如此廣闊，在宇宙的一生中，飛船與恆星直接碰撞的可能性為零。 不過，航天器的表面會因為與巨大的星際塵埃雲發生微碰撞而受到侵蝕，但這種情況發生得非常緩慢。
根據奧伯格的估計，"黃金唱片"（每個探測器上都有相同的記錄，其中包含精選的聲音和影象，代表地球上的生命）可能會存活 50 多億年。 在這 50 億年之後，事情就很難預測了，因為此時，銀河系將與其巨大的鄰居仙女座星系相撞。 在碰撞過程中，宇宙飛船有五分之一的機率會被拋入星系間介質，因為那裡幾乎沒有塵埃，也幾乎沒有風化。 在這種情況下，飛船有可能存活數萬億年。 萬億年大約是目前宇宙年齡的 100 倍。 大約 60 億年後，當太陽進入紅巨星階段併吞噬地球時，地球將不復存在。
等離子體儀器的首席工程師羅伯特-巴特勒（Robert Butler）在"黃金唱片"的側向陽杯的收集板上刻下了麻省理工學院工程師和科學家的名字。 巴特勒的家鄉是新罕布什爾州，他把該州的州訓"不自由，毋寧死"放在了名字的首位。 多虧了巴特勒，雖然新罕布什爾州在萬億年內都不會存活，但它的州箴言卻有可能存活下來。 PLS 儀器的飛行備用件現在陳列在麻省理工學院博物館，在那裡，你可以透過側視感測器看到巴特勒的資訊文字。
編譯自/ScitechDaily
